內(nèi)蒙古赤峰市太陽(yáng)能資源評(píng)估與開(kāi)發(fā)潛力分析

王志春，張新龍，苑 俐，吳亞娟，史玉嚴(yán)

（赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

隨著化石能源供應(yīng)的日趨緊張，及其引發(fā)的氣候變化、環(huán)境污染壓力，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用已成為當(dāng)前能源發(fā)展的重要途徑。太陽(yáng)能作為一種最有潛力的可再生能源，以其優(yōu)質(zhì)的資源屬性，受到了全球的關(guān)注，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能被認(rèn)為是一種解決全球能源危機(jī)與氣候問(wèn)題的有效途徑，各國(guó)紛紛加大了對(duì)太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用[1]。未來(lái)，以太陽(yáng)能為主的可再生能源必將成為世界能源消費(fèi)的主導(dǎo)，也必將成為我國(guó)未來(lái)戰(zhàn)略能源之一。要開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源，首先需要對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源儲(chǔ)量和可利用程度進(jìn)行評(píng)估。由于我國(guó)太陽(yáng)輻射觀(guān)測(cè)站稀少，對(duì)于某地太陽(yáng)輻射量的計(jì)算，左大康[2]、翁篤鳴[3]、王炳忠[4]、祝昌漢[5-6]、孫治安[7]等學(xué)者均采用了氣候?qū)W計(jì)算方法，取得了較好的效果，成為目前太陽(yáng)能評(píng)估普遍采用的方法。

隨著清潔能源開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受重視，諸多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行了深入研究。李柯等[8]對(duì)中國(guó)陸地太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行了區(qū)域分析，結(jié)果表明，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富，東北部地區(qū)相對(duì)偏弱。近年來(lái)，針對(duì)內(nèi)蒙古太陽(yáng)能資源方面的研究頗多[9-11]，均將內(nèi)蒙古太陽(yáng)能資源的時(shí)空分布特征作為研究的重點(diǎn)，同時(shí)，馬玉峰等[9]還研究了太陽(yáng)總輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法，彭軍[11]對(duì)光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)的可行性進(jìn)行了分析。另外，張立春[12]、王彥平[13]等分別針對(duì)通遼市、呼倫貝爾市的太陽(yáng)能資源進(jìn)行了可利用性和區(qū)劃研究。

以往對(duì)太陽(yáng)能資源的評(píng)估，大多是對(duì)其儲(chǔ)量和穩(wěn)定度的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析[8-14]，沒(méi)有綜合考慮地形地勢(shì)、土地利用類(lèi)型等環(huán)境條件對(duì)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力的影響。內(nèi)蒙古自治區(qū)是全國(guó)能源大區(qū)，太陽(yáng)能資源極為豐富，居全國(guó)第二位，赤峰市屬于較豐富的二類(lèi)地區(qū)，太陽(yáng)能利用有著巨大的潛力[15]，截至目前，光伏電站的裝機(jī)容量已接近500 MW，主要位于翁牛特旗和敖漢旗，規(guī)模較大光伏電站分布見(jiàn)圖1。本文以作為內(nèi)蒙古實(shí)施光伏發(fā)電重點(diǎn)地區(qū)的赤峰市為例，基于地形條件對(duì)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)氐哪茉床季旨稗D(zhuǎn)型發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

赤峰市地處蒙古高原到遼河平原的過(guò)渡帶，地形以丘陵、山地為主，地勢(shì)起伏大，海拔高度在255~2 061 m，高海拔地區(qū)分別為北部的大興安嶺余脈和西南部的七老圖山脈，翁牛特旗東部和阿魯科爾沁旗南部海拔較低，在500 m以下（圖1）。赤峰市無(wú)太陽(yáng)輻射觀(guān)測(cè)站，錫林浩特輻射站位于赤峰市的西部稍偏北，所處緯度與赤峰市相當(dāng)，因此用錫林浩特站的資料來(lái)確定輻射與日照的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖1 研究區(qū)地形及氣象站點(diǎn)分布

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

赤峰市14個(gè)國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站1986—2015年逐日日照時(shí)數(shù)資料，錫林浩特站1986—2019年逐日日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射資料，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。90 m×90 m數(shù)字高程（DEM），來(lái)自于美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）。1：250 000行政區(qū)劃及土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 太陽(yáng)能資源計(jì)算

采用當(dāng)前最為通用的氣候?qū)W方法，建立太陽(yáng)總輻射與日照的關(guān)系模型，計(jì)算方法[16-19]為：

式中，Q是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射（MJ/m2），Q0為地外天文總輻射（MJ/m2），S為日照百分率（%），a、b為各月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通過(guò)最小二乘法擬合求得。

FAO推薦溫帶地區(qū)a=0.18，b=0.55[20]，錫林浩特站擬合的a、b值見(jiàn)表1，可以看出兩者的差距很大。

表1 錫林浩特站擬合的各月a、b值及決定系數(shù)

采用FAO推薦的系數(shù)和擬合的系數(shù)，分別計(jì)算錫林浩特站2017—2019年的年太陽(yáng)輻射總量，并與實(shí)際觀(guān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比（表2）?？梢钥闯觯捎肍AO推薦系數(shù)的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小得多，約偏少10%，而采用擬合系數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)相差不大，誤差在2%以?xún)?nèi)。因此，采用擬合系數(shù)推算的太陽(yáng)輻射量更加精準(zhǔn)，本文采用擬合系數(shù)作為推算當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射量的參數(shù)值。

表2 2017—2019年錫林浩特站太陽(yáng)輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析 MJ/m2

2.2.2 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度計(jì)算

太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度表征的是某地太陽(yáng)能資源年內(nèi)波動(dòng)的幅度，通常采用各月日照時(shí)數(shù)＞6 h天數(shù)的最大值與最小值之比來(lái)表示[8]。

式中，K為太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度指標(biāo)，無(wú)量綱；D1，D2，…D12為1—12月各月日照時(shí)數(shù)＞6 h天數(shù)，單位：d；max、min分別為求最大值、最小值的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 赤峰市太陽(yáng)能資源空間分布與評(píng)估

赤峰市年太陽(yáng)輻射量在5 600.78~6 262.45 MJ/m2，平均為6 025.16 MJ/m2。由圖2可見(jiàn)，不同地區(qū)間太陽(yáng)能資源差異顯著，其中阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗東南部、克什克騰旗東南部、翁牛特旗、松山區(qū)、敖漢旗，太陽(yáng)輻射量超過(guò)了6 000 MJ/m2。根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 37526—2019）[21]中的太陽(yáng)能資源等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，赤峰市年太陽(yáng)總輻射量均高于5 040 MJ/m2，是太陽(yáng)能資源很豐富區(qū)。

圖2 赤峰市太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量空間分布

3.2 赤峰市太陽(yáng)能穩(wěn)定程度評(píng)估

采用公式（2）計(jì)算赤峰市太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度并空間化（圖3），得出所有地區(qū)K值均在2以?xún)?nèi)，太陽(yáng)能資源均達(dá)到了穩(wěn)定等級(jí)。相對(duì)而言，東南部地區(qū)的穩(wěn)定程度更高。

圖3 赤峰市太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度空間分布

4 基于地形的太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)適宜性區(qū)劃

上述太陽(yáng)能資源評(píng)估主要從資源儲(chǔ)量的空間分布上進(jìn)行分析的，而在實(shí)際的太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用中，需要綜合考慮獲取太陽(yáng)能資源的可能性和難易程度[22-25]。本研究主要考慮不同地形（坡度、坡向）對(duì)地表接收太陽(yáng)輻射量的影響，不涉及交通等非自然因素。太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)中應(yīng)遵循坡向優(yōu)先于坡度，陽(yáng)坡、平坡優(yōu)先的原則，在充分保證接收太陽(yáng)輻射最大化的同時(shí)，降低開(kāi)發(fā)成本。坡度的等級(jí)界定標(biāo)準(zhǔn)參考《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》（GB/T 15772-1995）[26]。將太陽(yáng)能資源的可利用程度劃分為4個(gè)等級(jí)（表3），Ⅰ為最適宜開(kāi)發(fā)利用區(qū)，Ⅱ?yàn)榇芜m宜開(kāi)發(fā)利用區(qū)，Ⅲ為可利用開(kāi)發(fā)區(qū)，Ⅳ為不適宜開(kāi)發(fā)利用區(qū)。

表3 太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)適宜性區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)赤峰市太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)適宜性進(jìn)行區(qū)劃，結(jié)果如圖4所示。Ⅰ、Ⅱ類(lèi)主要分布在阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗東南部、巴林右旗南部、克什克騰旗西部、翁牛特旗中東部、松山區(qū)中東部、元寶山區(qū)、喀喇沁旗東部、寧城縣東部和敖漢旗中北部，這些地勢(shì)平坦且坡向多為偏南或偏東南向的地區(qū)；Ⅲ、Ⅳ類(lèi)主要分布在北部的大興安嶺余脈，西南部的七老圖山和敖漢旗南部的努魯爾虎山地區(qū)，這些地區(qū)地勢(shì)起伏大且坡向不佳。

圖4 赤峰市太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)適宜性區(qū)劃

統(tǒng)計(jì)赤峰市太陽(yáng)能4個(gè)開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)的面積及比例（表4），最適宜開(kāi)發(fā)的Ⅰ類(lèi)區(qū)面積約3.2×104km2，占35.4%，Ⅱ類(lèi)次適宜開(kāi)發(fā)面積約3.7×104km2，占41.4%，Ⅲ、Ⅳ類(lèi)分別占19.1%和4.1%。Ⅰ、Ⅱ類(lèi)共計(jì)占76.8%，因此，從地形地勢(shì)方面比較，赤峰市是適宜太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的。

表4 赤峰市太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)統(tǒng)計(jì)

5 基于土地利用類(lèi)型太陽(yáng)資源開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)估

赤峰市大部地區(qū)適宜太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)，但建設(shè)光伏電站需要布設(shè)大面積的太陽(yáng)能電板，土地利用類(lèi)型對(duì)其限制較大，因此，需要結(jié)合不同土地利用類(lèi)型來(lái)分析太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用潛力[27-29]。

將土地利用類(lèi)型歸為6大類(lèi)：耕地（水澆地、水田、旱地、其它農(nóng)業(yè)用地）、草地、林地、水域（河流、湖泊、庫(kù)塘）、城鎮(zhèn)用地（建筑、人類(lèi)活動(dòng)用地、交通路網(wǎng)）、裸地。將土地利用類(lèi)型與太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)進(jìn)行疊加分析，來(lái)評(píng)估太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)潛力。

統(tǒng)計(jì)不同開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)的土地利用類(lèi)型比例（表5），Ⅰ、Ⅱ類(lèi)地區(qū)中草地所占比例最高，分別為20.3%和25.0%，次之為耕地和裸地，耕地保護(hù)不能觸碰，裸地適合開(kāi)發(fā)，草地和裸地共計(jì)在Ⅰ類(lèi)地區(qū)占26.4%、在Ⅱ類(lèi)地區(qū)占30.7%。因此，赤峰市太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)潛力巨大。

表5 赤峰市太陽(yáng)能各等級(jí)開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)在不同土地利用類(lèi)型中所占面積比例/%

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

赤峰市年總輻射量均在5 600 MJ/m2以上，屬于太陽(yáng)能資源很豐富區(qū)，最高值達(dá)6 262.45 MJ/m2，接近了太陽(yáng)能儲(chǔ)量的最高等級(jí)。赤峰市地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，陰雨天氣少，日照充足，太陽(yáng)輻射穩(wěn)定?；诘匦蔚奶?yáng)能資源開(kāi)發(fā)適宜性區(qū)劃結(jié)果表明，Ⅱ類(lèi)次適宜開(kāi)發(fā)面積最大，高達(dá)41.4%，Ⅰ類(lèi)最適宜和Ⅱ類(lèi)次適宜開(kāi)發(fā)的總面積占赤峰市面積的76.8%，因此，從地形地勢(shì)方面比較，赤峰市是適宜太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的。從開(kāi)發(fā)建設(shè)成本、耕地及生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面分析，草地和裸地受太陽(yáng)能設(shè)施的影響最小，比較適合太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)建設(shè)，疊加開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)進(jìn)行分析，Ⅰ、Ⅱ類(lèi)地區(qū)中草地和裸地所占面積比例分別達(dá)26.4%和30.7%，因此，赤峰市太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。

6.2 討論

由于太陽(yáng)輻射觀(guān)測(cè)站較少，一般需要應(yīng)用其它常規(guī)觀(guān)測(cè)的氣象要素，通過(guò)構(gòu)建與輻射量的相關(guān)推算模型，來(lái)增加太陽(yáng)能評(píng)估數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度。在選擇輻射觀(guān)測(cè)代表站時(shí)，需要遵循以下三點(diǎn)：一是地理位置與推算站點(diǎn)距離盡可能近；二是氣候類(lèi)型相同；三是與所推算站點(diǎn)在相同的緯度帶內(nèi)。滿(mǎn)足以上三點(diǎn)，就能保證推算模型的適用性。

在進(jìn)行太陽(yáng)能資源精細(xì)化評(píng)估時(shí)，空間插值方法（模型）直接關(guān)系到插值結(jié)果的準(zhǔn)確性。大多數(shù)氣象要素與地理信息具有顯著的相關(guān)性，可以通過(guò)回歸分析來(lái)構(gòu)建空間插值模型，而太陽(yáng)輻射采用回歸分析大都不能通過(guò)檢驗(yàn)。另外，常用的地統(tǒng)計(jì)插值方法，如克里金法、反距離權(quán)重法、徑向基函數(shù)法等[30]，不能引入地形因素參與插值，因此不能很好地體現(xiàn)地形對(duì)太陽(yáng)能資源的影響。本文所選用的薄盤(pán)樣條插值方法[31]，可以引入地形作為協(xié)變量參與空間插值，從而能夠更加客觀(guān)地表達(dá)太陽(yáng)能資源的空間分布特征，由圖2可以清晰地看出，地形因素對(duì)太陽(yáng)能資源分布的影響，特別在赤峰市西部和北部的多山地區(qū)尤為顯著。

在太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)適宜性區(qū)劃分析時(shí)，僅考慮了坡度和坡向2個(gè)因素，受局部地形的影響，適宜區(qū)可能受附近高大山體的遮蔽而變得不再適宜。因此，在實(shí)際太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)選址時(shí)，應(yīng)綜合考慮大地形、局部地形、交通條件、建設(shè)成本等因素。目前，赤峰市光伏發(fā)電新建項(xiàng)目均要求建在荒漠區(qū)、采煤沉陷區(qū)、露天煤礦排土場(chǎng)等地類(lèi)上，同時(shí)優(yōu)先支持光伏和儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)。